Циркониевый датчик (рис. 11) имеет два электрода - внешний 4 и внутренний 5. Электроды, выполненные из пористой пластины или ее сплава, разделены слоем твердого электролита. Электролитом является диоксид циркония ZrO₂ с добавлением оксида иттрия Y₂O₃ для повышения ионной проводимости. Среда, окружающая внутренний электрод, имеет постоянное парциальное давление кислорода. Внешний электрод омывается потоком отработавших газов в выпускной системе двигателя с переменным парциальным давлением кислорода. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая вследствие разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между ними.
Рис. 11. Схема циркониевого датчика кислорода: 1 - электропроводное уплотнение; 2 - корпус; 3 - твердый электролит; 4, 5 - внешний и внутренний электроды
При низком уровне парциального давления кислорода в отработавших газах, когда двигатель работает на обогащенного состава горючей смеси (при коэффициенте избытка воздуха α > 1) датчик как гальванический элемент генерирует высокое напряжение (700-1000 мВ). При переходе на обедненного состава горючую смесь (α < 1) парциальное давление кислорода в отработавших газах заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения Uвых на выходных выводах датчика - до 50-100 мВ. Такое резкое падение напряжения на выходе датчика (рис. 12) при переходе от обогащенного к обедненному составу горючей смеси позволяет определить ее стехиометрический состав с погрешностью не более 0,5%.
Рис. 12. Характеристика циркониевого датчика кислорода
Конструкция датчика кислорода на основе диоксида циркония ZrO₂ показана на рис. 13.
Рис. 13. Датчик кислорода на основе ZrO₂: 1 - металлический корпус; 2 - уплотнение; 3 - соединительный кабель; 4 - кожух; 5 - контактный стержень; 6 - активный элемент из диоксида циркония; 7 - защитный колпачок с прорезями
Принцип работы датчика кислорода на базе диоксида титана TiO2 (рис. 14) основан на изменении электропроводности TiO2 от парциального давления кислорода в выпускной системе. Параллельно чувствительному элементу 1 датчика подключен термистор для компенсации влияния температуры на сопротивление соединения TiO₂.
Рис. 14. Датчик кислорода на основе TiO₂: 1 - чувствительный элемент; 2 - металлический корпус; 3 - изолятор; 4 - входные контакты; 5 - уплотнение; 6 - защитный кожух